專利名稱：Piv圖像高頻采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Piv圖像高頻采集方法。
背景技術(shù)：
在流體力學(xué)領(lǐng)域，PIV用于測量流體速度，可實(shí)現(xiàn)全場瞬時(shí)測量，其具有不干擾流體形態(tài)、無毒無污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，得到了廣泛應(yīng)用。為滿足水流紊動特性，PIV系統(tǒng)采樣頻率應(yīng)達(dá)到200HZ 300HZ，但目前PIV多采用雙脈沖激光器，每個脈沖對應(yīng)一幅圖像， 雙脈沖就對應(yīng)兩幅圖像，通過時(shí)間調(diào)制，可控制兩個脈沖光之間的時(shí)間間隔非常短，能達(dá)到數(shù)十納秒，能很好地獲取某個時(shí)刻的瞬時(shí)流場數(shù)據(jù)。但對于同一脈沖激光而言，脈沖激光之間的時(shí)間間隔受限于激光頻率，如激光器頻率為15HZ，則對于同一脈沖激光，兩個脈沖光之間的間隔就為1/15秒，因此，需要在經(jīng)過1/15秒后才能獲取下一時(shí)刻的瞬時(shí)流場數(shù)據(jù)，影響了水流紊動特性分析。當(dāng)前民用領(lǐng)域，激光器的頻率只有數(shù)十赫茲，該頻率就限制了 PIV 采樣頻率，數(shù)十赫茲難以滿足水流紊動特性分析。為此有研究者采用高頻攝像機(jī)的方式來進(jìn)行PIV圖像高頻采集，但高頻攝像機(jī)價(jià)格非常昂貴，因?yàn)閲鴥?nèi)生產(chǎn)的攝像機(jī)頻率多為幾十赫茲，幾百赫茲的高頻攝像機(jī)只能從國外進(jìn)口，高頻攝像機(jī)的方式限制了大規(guī)模應(yīng)用，阻礙了水流紊動強(qiáng)度的測量，影響了學(xué)科的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種PIV圖像高頻采集方法，在流場的兩側(cè)對稱地布置兩組攝像機(jī)陣列，采用同步器控制組成攝像機(jī)陣列的各攝像機(jī)依次雙曝光得到相應(yīng)視場內(nèi)的示蹤粒子圖像，再結(jié)合自相關(guān)技術(shù)處理各攝像機(jī)拍攝的粒子圖像，得到各攝像機(jī)相應(yīng)視場內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)，接著將各臺攝像機(jī)的相應(yīng)流場矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至激光片光平面坐標(biāo)系，以獲得處于攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)刻流速數(shù)據(jù)。故本發(fā)明采用多個攝像機(jī)組成攝像機(jī)陣列方式對流場中的示蹤粒子依次雙曝光拍攝，代替了單臺攝像機(jī)需采用高幀頻方式才能進(jìn)行水流紊動特性的分析，大幅降低攝像機(jī)陣列中各臺攝像機(jī)的幀頻，實(shí)現(xiàn)了普通幀頻攝像機(jī)就可進(jìn)行高頻圖像采集，減小了 PIV圖像采集裝置因采用高頻攝像機(jī)導(dǎo)致的昂貴成本。為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種PIV圖像高頻采集方法，首先，在流場的兩側(cè)對稱地布置兩組攝像機(jī)陣列，每組攝像機(jī)陣列至少包括兩臺攝像機(jī)；然后，采用同步器控制各臺攝像機(jī)依次雙曝光拍攝得到相應(yīng)視場內(nèi)的示蹤粒子圖像，并采用自相關(guān)技術(shù)處理各攝像機(jī)拍攝的示蹤粒子圖像，以獲取各攝像機(jī)相應(yīng)視場內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)；通過標(biāo)定建立起各臺攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系與參照坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得處于攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)刻流速數(shù)據(jù)。所述參照坐標(biāo)系為基于激光片光片面建立的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)為激光片光平面的中點(diǎn)；將各攝像機(jī)相應(yīng)的流場矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至基于激光片光平面建立的坐標(biāo)系，以獲取攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)刻流速數(shù)據(jù)。所述攝像機(jī)陣列由中心軸線相互平行的一組攝像機(jī)組成，且攝像機(jī)的中心軸線與片光平面垂直；各攝像機(jī)具有相同的儀器參數(shù)，同時(shí)各攝像機(jī)與激光片光平面之間的間距相同。根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果
本發(fā)明采用同步器控制兩組對稱地布置在流場兩側(cè)的攝像機(jī)陣列的各攝像機(jī)依次對流場中的示蹤粒子進(jìn)行雙曝光拍攝，然后采用自相關(guān)運(yùn)算的方法對各攝像機(jī)所采集圖像進(jìn)行計(jì)算，以獲得相應(yīng)流場的矢量數(shù)據(jù)，并將各攝像機(jī)所拍攝圖像信息關(guān)聯(lián)到片光平面建立的坐標(biāo)系中，從而可以獲得各攝像機(jī)拍攝視場相互重疊部分處于不同時(shí)刻的流速數(shù)據(jù)。由此可知本發(fā)明采用同步器控制多臺攝像機(jī)的順序拍攝，代替單臺攝像機(jī)需要采用高頻的方式才能進(jìn)行水流紊動特性的分析，因此，本發(fā)明將單臺高頻攝像機(jī)的頻率分配到攝像機(jī)陣列中的各個攝像機(jī)中，大幅降低了攝像機(jī)陣列中各臺攝像機(jī)的拍攝頻率。從而降低PIV 圖像采集因采用高頻攝像機(jī)的昂貴價(jià)格。


圖1是攝像機(jī)陣列拍攝效果圖2是攝像機(jī)陣列曝光時(shí)間控制示意其中第一臺攝像機(jī)11 ；第二臺攝像機(jī)12 ；第三臺攝像機(jī)21 ；第四臺攝像機(jī)22 ；片光平面3 ；攝像機(jī)安裝支座4 ；A、C為第二臺攝像機(jī)以及第三臺攝像機(jī)的拍攝視場與片光平面的交點(diǎn)；B、D為第一臺攝像機(jī)以及第四臺攝像機(jī)的拍攝視場與片光平面的交點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1所示，本發(fā)明所述的PIV圖像高頻采集方法，首先，對稱地布置兩組攝像機(jī)陣列，每組攝像機(jī)陣列至少包括兩臺攝像機(jī)；然后，采用同步器控制各臺攝像機(jī)依次雙曝光拍攝處于相應(yīng)拍攝視場內(nèi)的流場中的示蹤粒子，并將各攝像機(jī)所拍攝的圖像輸入計(jì)算機(jī)； 利用自相關(guān)技術(shù)處理各攝像機(jī)拍攝的粒子圖像，得到各攝像機(jī)相應(yīng)視場內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過標(biāo)定建立起各臺攝像機(jī)所拍攝圖像信息與片光平面3之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系， 以將各臺攝像機(jī)所拍攝圖像的相應(yīng)流場矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到片光平面3坐標(biāo)系中，從而獲得各攝像機(jī)拍攝視場相互重疊部分處于不同時(shí)刻的流速數(shù)據(jù)。所述攝像機(jī)陣列由軸向法線相互平行的一組攝像機(jī)組成，且組成攝像機(jī)陣列的各攝像機(jī)與流場之間的間距一致，同時(shí)各攝像機(jī)的軸向法線均與片光光面垂直。每組攝像機(jī)陣列的各臺攝像機(jī)均與同一往復(fù)直線移動裝置的輸出端連接，所述往復(fù)直線移動裝置的移動方向與片光平面3相垂直。采用本發(fā)明所述的技術(shù)方案進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn)的過程如下
如圖2所示，同步器在、時(shí)段控制第一臺攝像機(jī)11進(jìn)行雙曝光，雙曝光時(shí)間間隔為 Δ t，第一臺攝像機(jī)11完成雙曝光采集圖像后，經(jīng)過Δ T時(shí)間，同步器在t2時(shí)段控制第二臺攝像機(jī)12進(jìn)行雙曝光，雙曝光時(shí)間間隔為Δ t，第二臺攝像機(jī)12完成雙曝光采集圖像后，經(jīng)過Δ T時(shí)間，控制第三臺攝像機(jī)21，依次控制各臺攝像機(jī)進(jìn)行雙曝光采集圖像，攝像機(jī)陣列完成時(shí)間序列上圖像采集。對tl時(shí)段第一臺攝像機(jī)11采集的雙曝光圖像進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，得到、時(shí)段的平均流速V11,控制Δ t時(shí)間足夠短，即、時(shí)段很短，V11可認(rèn)為、時(shí)刻的是瞬時(shí)流速。同理得到第二、第三、第四臺攝像機(jī)22的瞬時(shí)流速V22、V23、V24。同樣，可獲得整個時(shí)間序列上的流
速V11、V22、V23、V24、V15、V26、V27> V28......
如果攝像機(jī)的采樣頻率為f，同步器控制后，Piv的采樣頻率將為4Xf，例如國產(chǎn)的常規(guī)攝像機(jī)的頻率在10M*768的分辨率情況下可為60HZ，采用該種攝像機(jī)陣列布置形式后，PIV的采樣頻率可達(dá)對0，可滿足大部分水流紊動分析，國產(chǎn)分辨率10M*768情況達(dá)到 200HZ攝像機(jī)暫無，國外一般的攝像機(jī)機(jī)價(jià)格已近十萬，而該普通攝像機(jī)價(jià)格只有五千元左右，4臺同樣的攝像機(jī)價(jià)格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高頻攝像機(jī)。通過標(biāo)定建立起各臺攝像機(jī)圖像與片光平面3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。片光原點(diǎn)在第一臺攝像機(jī)11圖像中的坐標(biāo)為( ,Jio)
，一般將片光平面3與流場的軸線相交的點(diǎn)定為片光平面3坐標(biāo)系原點(diǎn)；第一臺攝像機(jī)11 的每一個像素代表的片光片面的實(shí)際尺寸為約，( , )為第一臺攝像機(jī)11圖像坐標(biāo)
I X = ( ~~ Xj η )
,、轉(zhuǎn)換至片光平面3的坐標(biāo)‘, 、
同理可得第二臺攝像機(jī)12與片光平面3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為/作=α4 O* — 7 m)
在保證各臺攝像機(jī)的技術(shù)參數(shù)一致的情況，如果各臺攝像機(jī)距離片光平面3的距離相等，則有約=S2=Oi=S4o 第一臺攝像機(jī)11和第二臺攝像機(jī)12處于同一個陣列中，軸線法線平行，則軸線法線間的距離b，第一臺攝像機(jī)11和第二臺攝像機(jī)12圖像坐標(biāo)存在以下關(guān)系
Jx2 = xx+b
同理可得，處于同一陣列中的第三臺攝像機(jī)21和第四臺攝像機(jī)22圖像坐標(biāo)存在以下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種PIV圖像高頻采集方法，其特征在于首先，在流場的兩側(cè)對稱地布置兩組攝像機(jī)陣列，每組攝像機(jī)陣列至少包括兩臺攝像機(jī)；然后，采用同步器控制各臺攝像機(jī)依次雙曝光拍攝得到相應(yīng)視場內(nèi)的示蹤粒子圖像，并采用自相關(guān)技術(shù)處理各攝像機(jī)拍攝的示蹤粒子圖像，以獲取各攝像機(jī)相應(yīng)視場內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)；通過標(biāo)定建立起各臺攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系與參照坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得處于攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)刻流速數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述PIV圖像高頻采集方法，其特征在于，所述參照坐標(biāo)系為基于激光片光片面建立的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)為激光片光平面的中點(diǎn)；將各攝像機(jī)相應(yīng)的流場矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至基于激光片光平面建立的坐標(biāo)系，以獲取攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)刻流速數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述PIV圖像高頻采集方法，其特征在于，所述攝像機(jī)陣列由中心軸線相互平行的一組攝像機(jī)組成，且攝像機(jī)的中心軸線與片光平面垂直；各攝像機(jī)具有相同的儀器參數(shù)，同時(shí)各攝像機(jī)與激光片光平面之間的間距相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PIV圖像高頻采集方法，首先在流場的兩側(cè)對稱地布置兩組攝像機(jī)陣列；然后，利用同步器控制各臺攝像機(jī)依次雙曝光得到相應(yīng)視場內(nèi)的示蹤粒子圖像；再采用自相關(guān)技術(shù)處理各攝像機(jī)拍攝的粒子圖像，得到各攝像機(jī)相應(yīng)視場內(nèi)的流場矢量數(shù)據(jù)，接著采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式，以獲得處于各攝像機(jī)視場重疊區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)刻流速數(shù)據(jù)。故本發(fā)明采用多個攝像機(jī)組成攝像機(jī)陣列方式對流場中的示蹤粒子依次雙曝光拍攝，代替了單臺攝像機(jī)需采用高幀頻方式才能進(jìn)行水流紊動特性的分析，大幅降低攝像機(jī)陣列中各臺攝像機(jī)的幀頻，實(shí)現(xiàn)了普通幀頻攝像機(jī)就可進(jìn)行高頻圖像采集，減小了PIV圖像采集裝置因采用高頻攝像機(jī)導(dǎo)致的昂貴成本。
文檔編號G01C11/04GK102331511SQ20111016304
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者王得祥, 陳紅, 魯娟娟 申請人:河海大學(xué)